Сверхтонкие сверхпроводящие материалы на основе ниобия и титана
Сверхпроводящие материалы из сплава ниобия и железа с диаметром сердечника менее 0,5 мкм. Благодаря успешной разработке низкотемпературных сверхпроводящих материалов, они начали широко применяться в промышленном производстве, научных исследованиях, медицине и здравоохранении. Особенно в последние годы применение сверхпроводящих технологий вышло за рамки постоянного тока; например, синхротронные ускорители, сверхпроводящие двигатели переменного тока, сверхпроводящие коллайдеры, трансформаторы в управляемых устройствах, сверхпроводящие кабели и индуктивные накопители энергии требуют использования сверхпроводящих материалов переменного тока. При использовании сверхпроводящих материалов в условиях переменного тока их потери переменного тока относительно высоки и должны быть снижены до приемлемого уровня. С непрерывным развитием сверхпроводящих технологий проблема потерь переменного тока привлекает все больше внимания, становясь еще одной важной характеристикой сверхпроводящих материалов наряду с критической температурой, критическим током и критическим магнитным полем.
На основе теоретического анализа считается, что потери переменного тока можно уменьшить за счет увеличения сопротивления матрицы проводника, изготовления сверхтонких сверхпроводящих проводов с сердечником (менее 0,5 мкм) и сверхтонких проводов с диаметром сердечника (менее 0,1 мм), а также уменьшения шага скручивания сверхпроводящего провода.
Сверхтонкие сверхпроводники на основе NbTi и Nb3Sn являются превосходными материалами для сверхпроводимости переменного тока. Для повышения прочности проводника и передачи больших токов эти материалы используются для изготовления кабелей с каналами охлаждения жидким гелием. Сверхтонкие сверхпроводящие провода на основе NbTi представляют собой композитные сверхпроводящие провода, в которых матрицей является CuNi или смесь Cu и CuNi, а сверхпроводящим сердечником — NbTi; количество сердечников из NbTi может достигать десятков тысяч. Процесс изготовления сверхпроводников обычно включает в себя несколько комбинированных методов экструзии и растяжения или несколько методов гидростатической экструзии. Критическая плотность тока этого материала при постоянном токе составляет (0,95–3) × 10⁵ А/см² (5 Тл, 4,2 К). В настоящее время основным показателем исследований является значение потерь при переменном токе. Сверхтонкие сверхпроводящие проволоки из Nb3Sn в основном изготавливаются с использованием бронзового метода или метода внутреннего олова; при применении их сначала формируют, а затем подвергают диффузионной обработке.
Сверхпроводники из сплавов ниобия и титана представляют собой бинарные сплавы, являющиеся низкотемпературными сверхпроводящими материалами, разработанными американскими исследователями начиная с 1950-х годов, при этом значение критической температуры Tc впервые было определено в 1961 году. Этот материал демонстрирует критическое магнитное поле 12 Тл при 4,2 К, максимальное поле применения 10 Тл и плотность тока передачи Jc ≥ 10⁵ А/см². Его основные преимущества включают отличную обрабатываемость, высокую механическую прочность и низкую стоимость. Из него можно изготавливать многожильные композитные провода традиционным методом плавки, требующим холодной обработки со степенью 90% и низкотемпературной обработки старением для улучшения характеристик. Этот сплав был внедрен в промышленность в 1968 году, став основным материалом для сверхпроводящих магнитов в системах МРТ и высокоэнергетических ускорителях. Он сохраняет сверхпроводимость с нулевым сопротивлением при давлении 261,7 ГПа, при этом критическая температура перехода повышается до 19,1 К, а критическое магнитное поле — до 19 Тл. Для его получения используется процесс экструзии-растяжения для образования металлургической связи; при нанесении покрытия на медную или алюминиевую матрицу требуется остаточное сопротивление не менее 30 Ом. Стоимость сырья и производства сверхпроводников из ниобий-титанового сплава значительно ниже, чем у других сверхпроводящих материалов. Этот сверхпроводящий материал может подвергаться термической обработке для улучшения своих сверхпроводящих свойств перед скручиванием, намоткой и другими процессами сборки в приложениях. Предел текучести NbTi близок к пределу текучести стали, и эти превосходные свойства обеспечат дальнейшее широкое применение сверхпроводящих сплавов NbTi в течение значительного периода времени.
Сверхпроводящие материалы должны быть заключены в обычную проводящую среду или внедрены в обычные проводники, чтобы обеспечить низкоомное шунтирование в областях, где проводник внезапно переходит в нормальное состояние. Кроме того, заключение в среду важно для предотвращения скачков магнитного поля. Другими словами, необходимо использовать подходящий базовый материал для снижения потерь и повышения стабильности. Выбор базового материала зависит от противоречивых требований. Теория Уилсона и его коллег предполагает, что использование высокопроводящей основы позволяет использовать более тонкие провода, но их многожильные кабели должны быть плотно скручены по спирали. Некоторые утверждают, что основная причина выбора высокопроводящей бескислородной меди в качестве матричного материала для сверхпроводящего сплава NbTi заключается в том, что при возникновении переходного возмущения в сверхпроводящем состоянии из-за локального повышения температуры транспортный ток может сместиться в матрицу, что позволяет поддерживать существующий джоулев нагрев на достаточно низком уровне. Однако другие исследователи указывают на то, что медь, несмотря на свои хорошие стабилизирующие свойства, неизменно не справляется с адекватным ограничением наведенного тока.